三相SVC在電氣化鐵路電能質(zhì)量治理中的應(yīng)用

劉 劍，黃小慶，曹一家，黎燦兵

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）

2008年國務(wù)院批準(zhǔn)頒布的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》提出，到2020年全國鐵路營業(yè)里程規(guī)劃目標(biāo)達(dá)到12萬公里，其中高速鐵路1.6萬公里，電氣化程度達(dá)到60%。我國電氣化鐵路的高速發(fā)展，也給電氣化鐵路供電系統(tǒng)提出了新的要求。由于高速鐵路具有機(jī)車牽引功率大、功率因數(shù)高、牽引變電站負(fù)荷大等特點(diǎn)，由此產(chǎn)生的負(fù)序問題在電氣化鐵路電能質(zhì)量中顯得更為突出。

目前我國治理電氣化鐵路負(fù)序問題主要采用以下幾種措施［1～5］：①牽引變電站高壓側(cè)采用輪換相序的接入方式；②采用三相／兩相平衡變壓器；③合理安排列車運(yùn)行方式和牽引變電站供電電源，削弱負(fù)序分量對(duì)電網(wǎng)的影響；④接入更高一級(jí)的電網(wǎng)，從110kV到220kV，增大短路容量。但截止到2007年，向牽引變電站供電的電網(wǎng)系統(tǒng)變電站為423座，其中接入3座以上牽引變電站的電網(wǎng)系統(tǒng)變電站只有20座［6］，存在大量沒有互聯(lián)的牽引變電站，因此采用牽引變電站高壓側(cè)輪換相序接入方式對(duì)負(fù)序的改善具有局限性。三相／兩相平衡變壓器只有在兩相負(fù)荷平衡的條件下才能完全抑制負(fù)序，但是對(duì)于時(shí)刻變化的牽引負(fù)荷，兩相負(fù)荷完全平衡是無法保持的，因此，該措施對(duì)負(fù)序的抑制作用也是有限的［7］。由于我國鐵路運(yùn)輸總體緊張，臨時(shí)增加列車運(yùn)力的情況時(shí)有發(fā)生，臨時(shí)對(duì)牽引供電電源進(jìn)行調(diào)整是不切實(shí)際的。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使用SVC進(jìn)行負(fù)序和無功補(bǔ)償在國外已有多年的經(jīng)驗(yàn)，且效果顯著。國外如英法海底隧道采用了ABB提供的SVC方案解決負(fù)荷平衡和電壓控制問題，該方案共采用4個(gè)SVC，其中3個(gè)SVC接于負(fù)荷側(cè)用于無功補(bǔ)償和電壓控制，另外一個(gè)SVC接入高一級(jí)的系統(tǒng)側(cè)，用于動(dòng)態(tài)負(fù)荷平衡［8］。而國內(nèi)大部分的SVC裝置，都是用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，以及加裝濾波器進(jìn)行諧波治理，對(duì)負(fù)序的改善作用非常有限。目前加裝三相SVC裝置進(jìn)行負(fù)序補(bǔ)償?shù)闹挥袀€(gè)別線路，如神朔線［9，10］，該三相SVC安裝在110kV供電線側(cè)，對(duì)接入同一公共節(jié)點(diǎn)的多座牽引變電站負(fù)荷進(jìn)行整體負(fù)序和無功的補(bǔ)償。但是該方法是基于對(duì)接入同一公共節(jié)點(diǎn)的數(shù)個(gè)牽引負(fù)荷進(jìn)行整體補(bǔ)償，而對(duì)于接入不同公共節(jié)點(diǎn)的多個(gè)牽引變電站，該方法不具備整體補(bǔ)償?shù)哪芰Α?/p>

針對(duì)我國鐵路牽引網(wǎng)中現(xiàn)存的不能進(jìn)行輪換相序連接、輸電線路短路容量較小、負(fù)荷變化大的一些牽引變電站，本文提出了一種接入牽引變電站低壓側(cè)的三相SVC電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理方案。該三相SVC由晶閘管控制電抗器TCR（thyristor controlled reactor）與固定電容器FC（fixed capacitor）組成，裝在牽引變電站的低壓27.5kV側(cè)，就地進(jìn)行負(fù)序、無功補(bǔ)償和諧波治理。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 結(jié)構(gòu)框圖

圖1 三相SVC綜合補(bǔ)償裝置Fig.1 Three－phase SVC comprehensive compensation device

為充分利用目前牽引變電站已經(jīng)安裝的3、5、7次諧波濾波器和部分在27.5kV低壓側(cè)配備的兩相式SVC裝置，設(shè)計(jì)了如圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行部分改造，降低了建設(shè)成本。圖示T1為牽引變壓器，為了不失普遍性，這里的牽引變壓器取用目前使用廣泛的YND11型牽引變壓器，其高壓側(cè)為110kV，低壓側(cè)為27.5kV。低壓側(cè)C相接地，AC、BC相接負(fù)載。并在AB、BC、CA相間安裝3、5、7次特征次諧波濾波器，同時(shí)進(jìn)行無功補(bǔ)償，配合三角形接線的TCR裝置，組成三相SVC（TCR＋FC）。

1.2 三相不平衡補(bǔ)償原理

根據(jù)斯坦門茨補(bǔ)償原理，對(duì)于任意三相不平衡負(fù)荷采用一個(gè)可調(diào)無功補(bǔ)償器與其并聯(lián)可補(bǔ)償其無功功率，同時(shí)可使三相不平衡的有功功率達(dá)到平衡和對(duì)稱。假定電源電壓是平衡的，負(fù)荷采用三角形連接網(wǎng)絡(luò)表示，如圖2所示。

圖2 平衡化補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Balance of compensation network

設(shè)負(fù)載導(dǎo)納為：

根據(jù)式（1），由斯坦門茨補(bǔ)償原理可得到理想的三相平衡化補(bǔ)償公式為

2 三相SVC工作原理和控制策略

在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)荷的導(dǎo)納往往是不容易直接得到的，只能通過測得電流、電壓和功率等，通過間接方法求得。本文采用文獻(xiàn)［11］提出的基于瞬時(shí)值的三相補(bǔ)償導(dǎo)納算法。與基于向量的補(bǔ)償導(dǎo)納算法相比，該算法更為簡單。它直接利用瞬時(shí)無功理論得到有功和無功分量，通過一次低通濾波后，直接代入導(dǎo)納表達(dá)式即可，計(jì)算量小，縮短延時(shí)，增強(qiáng)了補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性。補(bǔ)償器的導(dǎo)納公式可以表示為［11］：

式（3）中的I11cosφ11、I11sinφ11、I21cosφ21和I21sinφ21分別表示基波正序和負(fù)序電流的有功和無功分量。利用瞬時(shí)無功理論基礎(chǔ)，運(yùn)用ip－iq運(yùn)算可以容易得到以上分量。其原理如圖3所示。

圖3 ip，iq運(yùn)算方式原理Fig.3 Principles of ip ，iqcalculations

其中：

TCR基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器相串聯(lián)。兩并聯(lián)晶閘管在兩端電壓正負(fù)半周輪流工作，觸發(fā)延遲角α的有效移相范圍為90°～180°。α＝90°時(shí)，晶閘管完全導(dǎo)通；當(dāng)α＝180°時(shí)，晶閘管完全截止。當(dāng)觸發(fā)延遲角在90°～180°時(shí)，增大觸發(fā)角，將減小電流中的基波分量，相當(dāng)于增大補(bǔ)償器的等效感抗，也即減小其等效電納，因而減少了其吸收的無功功率。導(dǎo)通角δ與觸發(fā)角α是線性關(guān)系，δ＝π－α。TCR的等效電納可表示為

其中，等效電納最大值為BLmax＝1／XL。本文中的三相TCR采用三角形連接并聯(lián)到牽引變電站的27.5kV低壓側(cè)，如圖1所示。

對(duì)于電氣化鐵路的兩相負(fù)載特性，三相中必然有一相沒有負(fù)載。例如，通常牽引臂為A相和B相，C相接地，則AC和BC相有負(fù)荷，AB相沒有負(fù)荷，此時(shí)式（2）中的＝0，＝0。將＝0，＝0代入式（2），可得：

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本文采用MATLAB中的SimPowerSystems工具箱進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)定為：

1）系統(tǒng)電壓為110kV，短路容量為1000 Mvar；

2）T1為110／27.5kV，YND11型牽引變壓器；

3）三相SVC，根據(jù)前文推導(dǎo)的導(dǎo)納系數(shù)，確定感性補(bǔ)償部分為LTCR＝60.21mH，每相40 Mvar，容性補(bǔ)償分別為AB相為20Mvar，BC相為20Mvar，AC相為40Mvar；

4）牽引網(wǎng)阻抗采用PI型參數(shù)：50Hz頻率下（0.169 ＋ j0.432） Ω／km，并聯(lián)電容0.011 μF／km［12］。

本文參數(shù)設(shè)計(jì)是基于以下假定：每相負(fù)荷最多為4輛機(jī)車同時(shí)運(yùn)行，每輛機(jī)車的功率為6400 kW，機(jī)車模型選用MATLAB自帶的直流電機(jī)模型（DC Motor）來模擬牽引電機(jī)［13，14］。

為了加速仿真，同時(shí)保證負(fù)荷的不平衡性和實(shí)時(shí)性，本文設(shè)計(jì)了分別在AC、BC相距離牽引變電站0km、10km、20km和30km處接入機(jī)車，也即每相最多可接入4輛機(jī)車；通過分析牽引變壓器YND11，可知當(dāng)只有一相有負(fù)荷的時(shí)候，負(fù)荷的三相不平衡和負(fù)序電流是最嚴(yán)重的［15］。所以在機(jī)車接入接觸網(wǎng)的分布上，以最大負(fù)荷（正常6輛機(jī)車，超負(fù)荷8輛機(jī)車）和最嚴(yán)重不平衡負(fù)荷（單邊分布4輛機(jī)車）分布來模擬。由此設(shè)計(jì)的接入時(shí)間如下：在1s的時(shí)候在AC相30km處接入第一輛機(jī)車，2 s的時(shí)候在AC相20km處接入第二輛機(jī)車，3s的時(shí)候在AC相10km處接入第三輛機(jī)車，在4s的時(shí)候在AC相0km處接入第四輛機(jī)車。此時(shí)AC相以10km為間隔接入四輛機(jī)車，不平衡最為嚴(yán)重。然后，在5s時(shí)在BC相30km處接入第五輛機(jī)車，6s時(shí)在BC相20km處接入第六輛機(jī)車，此時(shí)機(jī)車數(shù)目達(dá)到6輛，負(fù)荷達(dá)到正常最大負(fù)荷。此時(shí)再在7s時(shí)在BC相10km處接入第七輛機(jī)車，在第8s時(shí)在BC相0km處接入第八輛機(jī)車，此時(shí)機(jī)車數(shù)目達(dá)到最大超負(fù)荷情況。此后再依次以每秒一輛機(jī)車遞減的方式讓AC相的四輛機(jī)車依次退出運(yùn)行，在12s后只有BC相有四輛機(jī)車運(yùn)行，不平衡負(fù)荷再次達(dá)到最大。仿真時(shí)間為13s。

表1和圖4分別為SVC投入前后的110kV側(cè)電流的數(shù)據(jù)和波形對(duì)比。SVC投入前，在第8.94s時(shí)，110kV側(cè)三相電流的諧波畸變率分別是A相為7.74%，B相為35.49%，C相為9.56%；在SVC投入后，在第8.94s時(shí)，三相諧波分別降低為0.36%，0.62%，0.62%?？梢钥闯鯯VC的三相濾波裝置可以有效地降低流入電網(wǎng)的諧波電流。

表1 SVC投入前后110kV側(cè)電流諧波畸變率Tab.1 Current harmonic distortion of 110kV side between before and after putting into SVC

圖4 SVC投入前后110kV側(cè)電流波形對(duì)比Fig.4 Current waveforms of 110kV side between before and after putting into SVC

電氣化鐵路牽引負(fù)荷帶來的負(fù)序問題，由圖5的110kV側(cè)負(fù)序電流不平衡度可以看出。

SVC投入治理前，1s到5s間AC相單邊帶機(jī)車負(fù)荷，負(fù)序電流等于正序電流，負(fù)序電流不平衡度達(dá)到100%。在5s后，BC相開始增加機(jī)車負(fù)荷，到第8s后兩相負(fù)荷基本相等（各帶4輛機(jī)車），負(fù)序電流不平衡度接近50%。從第9s起，AC相負(fù)荷開始減少；到第12s時(shí)，只有BC相帶負(fù)荷，負(fù)序電流不平衡度又回到100%，如圖5（a）所示。

仿真結(jié)果和文獻(xiàn)［15］的計(jì)算結(jié)果相符，證明了仿真結(jié)果的正確性。在SVC投入治理后，負(fù)序電流的不平衡度95%概率值降低到20%以下，見圖5（b）。

國家標(biāo)準(zhǔn) GB／T15543－1995《電能質(zhì)量，三相電壓允許不平衡度》規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度的95%概率值不得超過2%，極短時(shí)值不得超過4%。

由負(fù)序電流導(dǎo)致的電壓三相不平衡由圖5（c）、（d）分析可得，SVC投入前，最高不平衡度達(dá)到3%，當(dāng)單邊帶超過3輛機(jī)車負(fù)荷時(shí)，不平衡度就達(dá)到2.0%以上，已經(jīng)超過國家標(biāo)準(zhǔn)。SVC投入使用后，三相電壓不平衡度基本保持在0.5%以下。

仿真結(jié)果表明，靜止無功補(bǔ)償器SVC的投入使用，基本消除了負(fù)序分量，獲得了平衡的三相電壓，補(bǔ)償效果顯著。

牽引網(wǎng)長距離輸電，當(dāng)無功不足時(shí)，將導(dǎo)致牽引網(wǎng)電壓低，以致機(jī)車不能正常運(yùn)行。由圖6的低壓側(cè)AC相牽引網(wǎng)電壓分布可以看出，SVC投入治理前離牽引變電站距離較遠(yuǎn)的牽引網(wǎng)電壓降非常嚴(yán)重。仿真試驗(yàn)中，AC相在每10km一輛機(jī)車的條件下，機(jī)車恒功率運(yùn)行。在第4s后，AC相4輛機(jī)車運(yùn)行時(shí)，在30km處電壓接近機(jī)車運(yùn)行的臨界電壓19kV。從第5s開始，BC相增加負(fù)荷，AC相電壓繼續(xù)下降，最低至15kV，機(jī)車已經(jīng)無法運(yùn)行，AC相無功不足非常嚴(yán)重。牽引網(wǎng)BC相電壓最低也接近19kV左右。從圖形也可以看出，作為滯后相的AC相電壓損失大于超前相的BC相電壓，如圖6（a）、（b）所示。SVC投入治理后，兩相牽引網(wǎng)電壓有顯著提高。在超負(fù)荷運(yùn)行的情況下（8輛機(jī)車同時(shí)運(yùn)行），末端最低電壓保持在23kV以上，如圖6（c）、（d）所示，而且整條線路沒有出現(xiàn)無功過補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)象，電壓波動(dòng)小。

再比較三相SVC接入在牽引變電站的高壓側(cè)和低壓側(cè)對(duì)牽引網(wǎng)電壓的補(bǔ)償效果。三相SVC安裝在牽引變壓器的高壓側(cè)時(shí)，牽引網(wǎng)的電壓仿真結(jié)果如圖7（a）、（b）所示。通過對(duì)比圖6的（c）、（d）和圖7（a）、（b）的仿真結(jié)果可知，在低壓側(cè)安裝三相SVC因?yàn)楸苊饬藸恳儔浩饕鸬碾妷簱p失，所以牽引網(wǎng)電壓明顯高于在高壓側(cè)安裝三相SVC時(shí)的牽引網(wǎng)電壓。

圖7 SVC接入在牽引變壓器高壓側(cè)時(shí)牽引網(wǎng)電壓分布Fig.7 Traction network voltage distribution at SVC access to high－voltage side of the traction transformer

4 結(jié)語

本文提出的在牽引變電站低壓側(cè)安裝三相SVC的電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理方案可以有效地解決電氣化鐵路因負(fù)序電流導(dǎo)致的三相電壓不平衡問題，同時(shí)綜合治理無功和諧波等其他電能質(zhì)量問題。由于濾波裝置接入電壓等級(jí)低，絕緣要求降低，比接在高壓側(cè)節(jié)省一個(gè)變壓器，其工程費(fèi)用比安裝在高壓側(cè)低。在牽引變電站低壓27.5kV側(cè)安裝三相SVC，因?yàn)楸苊饬藸恳儔浩鲗?dǎo)致的電壓損失，所以比在牽引變電站高壓側(cè)安裝更利于補(bǔ)償牽引網(wǎng)的電壓損失。對(duì)于高速鐵路牽引網(wǎng)以及我國現(xiàn)存的不能進(jìn)行輪換相序連接、輸電線路短路容量較小、負(fù)荷變化大的一些牽引變電站，使用本文提出的三相SVC可以起到較好的負(fù)序、無功補(bǔ)償和諧波治理作用。仿真分析表明，該方案治理效果顯著，正確可行。

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